Wat zijn de eigenschappen van stoffen?

In dit artikel worden de kengetallen voor de omstandigheden waarbij stofexplosies kunnen ontstaan besproken en de eigenschappen van stof die hierbij een belangrijke rol spelen. Met deze kennis kunnen stofexplosies voorkomen worden.

Om te bepalen of er sprake is van stofexplosiegevaar zijn bepaalde kengetallen van belang. Deze kengetallen zijn voor veel stoffen vastgelegd in tabellen. Ook de eigenschappen van ontstekingsbronnen bepalen of een stof explosiegevaarlijk is.

De volgende kengetallen worden experimenteel bepaald:

• Grootte van de stofdeeltjes

Alleen deeltjes kleiner dan 0,5 mm zorgen voor stofexplosies. De vaste stof moet dus voldoende fijn zijn om stofexplosies te kunnen veroorzaken. Die fijne deeltjes kunnen ook een gevolg zijn van een bewerking. Een stuk hout veroorzaakt bijvoorbeeld geen stofexplosie. Maar door het te schuren, ontstaat er fijn stof waardoor wel een stofexplosie kan ontstaan.

• Minimale smeultemperatuur

Dit de laagste temperatuur van een horizontaal oppervlak waarbij het daarop aanwezige stof gaat smeulen. De dikte van de laagstof is hierbij gesteld op 5mm. Door het op- waaien van smeulend stof kunnen stofexplosies ontstaan. Voor elke stofsoort wordt de smeultemperatuur in OC vastgelegd.

• Minimale ontstekingstemperatuur

Dit is de laagste temperatuur om een stof- luchtmengsel te kunnen ontsteken. De ontstekingstemperatuur wordt bepaald door een verticaal oppervlak te verhitten. Het stof-lucht-mengsel wordt in contact gebracht met deze plaat en de tempera- tuur waarbij dit mengsel ontsteekt, is de minimale ontstekingstemperatuur, uitgedrukt in OC.

• Minimale ontstekingsenergie

De kleinste hoeveelheid energie die nodig is om een stof-lucht-mengsel te kunnen ontsteken. Deze waarde wordt de MIE genoemd (Minimum Ignition Energy). De minimale ontstekingsenergie wordt bepaald met een elektrische ontlading tussen 2 elektroden. Deze waarde wordt uitgedrukt in mJ.

• Explosiegrenzen

Een belangrijke voorwaarde voor het ontstaan van stofexplosies is de juiste verhouding tussen stof en lucht. Is de concentratie stof in een mengsel zeer laag, dan is een explosie niet mogelijk. Neemt de concentratie stof toe, dan zal op een zeker moment de onderste explosiegrens worden bereikt. Er ontstaat dan een explosiegevaarlijk gebied. Voor elke soort stof is deze waarde experimenteel bepaald. Dit punt is de onderste explosiegrens en wordt aangeduid met LEL, Lower Explosion Limit. Neemt de mengverhouding toe, dan wordt de bovenste explosiegrens bereikt. De stofconcentratie ligt dan heel hoog. Het betekent dat er boven deze grens heel weinig zuurstof tussen de stofdeeltjes aanwezig is, onvoldoende voor een stofexplosie. Dit punt wordt aangeduid met UEL (Upper Explosion Limit). Zowel de LEL- als de UEL-waarden worden uitgedrukt in kg/m3.

• KST-waarde

De maximale drukstijgsnelheid of de KST-waarde van explosiegevaarlijk stof van het meest ontplofbare lucht-stofmengel in een bolvormig volume van 1 m3.

• Explosiekracht en explosiedruk

Tijdens een stofexplosie in een gesloten omgeving zoals een silo ontstaat een hoge druk. Ook deze maximale druk PMAX is voor elke stof bepaald. Een silo moet deze druk wel kunnen weerstaan om geen gevaarlijke situaties te creëren. De druktoename kan liggen tussen zes en tien bar, dit is niet voor alle stoffen hetzelfde. In de tabel ‘Kengetallen’ staan de waar- den die bij de verschillende stoffen horen.

• Vochtigheid

Het al of niet geleidend zijn van een stof speelt net als vochtigheid. Immers als de vochtigheid hoog is, kan er geen stofwolk ontstaan en dus ook geen explosie ontstaan. Vochtig houden is dus ook een methode om stofexplosies te voorkomen.

Stofconcentratie

Als vuistregel kun je ervan uitgaan dat de onderste explosie grens ligt bij 0,02 tot 0,06 kg/m3 lucht. Voor de bovenste explosiegrens ligt deze waarde tussen 2 tot 6 kg/m3 lucht. De golvende grenswaarden laten zien dat stofwolken niet homogeen zijn. Het gebied met een hoge stofconcentratie dient altijd te worden vermeden. Om vanuit die situatie een veilig gebied te verkrijgen, dus onder de onderste explosiegrens, moet altijd een explosiegevaarlijk gebied worden doorlopen. Dit is niet bepaald een ideale situatie.

Richtlijnen bij kengetallen

De besproken kengetallen zijn voor een aantal verschillende stoffen in de tabel ‘Kengetallen’ opgenomen. Let op: de waarden zijn richtwaarden en kunnen afwijken. Bijvoorbeeld zaag- of schuurstof heeft bij verschillende houtsoorten andere waarden. Het valt op dat de smeultemperatuur in veel gevallen lager ligt dan de ontstekingstemperatuur. Poedersuiker is in deze tabel een uitzondering. In de praktijk kan het voorkomen dat voor een bepaalde samenstelling van stoffen of voor onbekende stoffen geen waarden bekend zijn. Voor het bepalen van de kengetallen van die stof is een daarvoor ingericht laboratorium of onderzoeksinstituut dan de aangewezen instantie.

Voorwaarden van ontstekingsbronnen

Om een stofexplosie te kunnen veroorzaken, moet de ontstekingsbron aan bepaalde voorwaarden voldoen. Zo dient de temperatuur hoog genoeg te zijn of de ontstekingsenergie is voldoende krachtig.

• Mechanische vonken die bij slijpwerkzaamheden ontstaan, leveren een groot aandeel in het ontstaan van stofexplosies.
• Open vuur wordt direct geassocieerd met een ontstekingsbron. Moeilijker wordt het met hete oppervlakken zoals lagers die aanlopen en daardoor oververhit raken. Zeker als het lager niet zichtbaar is gemonteerd. Veelal merkt men de oververhitting te laat op.
• Zwerfstromen kunnen ontstaan door slechte of een onjuist aangebrachte aarding. Het gevaar bij zwerfstromen is dat te dunne aarddraden om zwerfstromen te voorkomen, te warm worden. Een aarddraad kan daardoor veranderen in een ontstekingsbron. Een goed aardingsconcept is in deze belangrijk.
• Vonken die ontstaan door kortsluiting, losse contacten, vonkende schakelaars vormen ook een gevarenbron. Deze gevarenbronnen zijn te controleren omdat ze vaak op bekende plaatsen ontstaan. Toepassen van de juiste componenten is noodzaak.
• Waar materialen door wrijving in staat zijn statische ladingen op te wekken, is extra alertheid geboden. Statische ladingen kunnen overal ontstaan. De vonken moeten wel voldoende energie leveren om als ontstekingsbron te kunnen dienen. De hoogte van de energie is afhankelijk van het materiaal en de vochtigheidsgraad.
• Andere ontstekingsbronnen zoals blikseminslag en elektromagnetische straling komen minder vaak voor en deze worden verder buiten beschouwing gelaten.

Zuurstof of inert gas

Zuurstof is voor een explosie onontbeerlijk. Hierin schuilt ook direct het probleem; zuurstof is namelijk overal aanwezig. Uit praktische overwegingen zal in bepaalde situaties zuurstof vervangen kunnen worden door een inert gas. Stof en een ontstekingsbron kunnen dan wel aanwezig zijn, maar zullen nooit tot een reactie komen. Wat betreft stofexplosies wordt uitgegaan van de heersende atmosferische condities. Deze condities zijn de luchtdruk die ligt tussen 80 kPa (0,8 bar) en 110 kPa (1,1 bar). De omgevingstemperatuur ligt tussen -20 OC en +40 OC. Omdat de lucht om ons heen slechts een zuurstofgehalte heeft van circa 21% wordt dit criterium aangenomen.

Atex-richtlijnen

Atex is het acroniem van de 2 Franse woorden ATmosphères EXplosible. Er zijn 2 richtlijnen namelijk de Atex 95 (voor apparatuur en componenten) en de Atex 137 (veilig handelen door het personeel). De ATEX 137 ligt in het verlengde van de Arbowet. Het beoogde doel is om de veiligheid en de bescherming van de werknemers en omgeving te waarborgen. Opleiding vormt een belangrijk onderdeel hiervan. Dit betekent voor de werkgever: risico beoordeling uitvoeren, gevarenzone-indeling maken, doelmatig preventieve maatregelen treffen ter voorkoming en of beperking van explosies, geschikte explosieveilige arbeidsmiddelen in zones toepassen, instructies geven aan werknemers en het opstellen van een explosieveiligheidsdocument (EVD). Gebieden die als explosiegevaarlijk gebied zijn gekenmerkt zijn te herkennen aan een geel waarschuwingsbord met zwarte tekst EX: Beide richtlijnen volgen elk hun eigen weg en komen uiteindelijk bij elkaar in de in gebruik zijnde installatie.